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JP2010516043A - Memory device comprising different ferromagnetic material layers and methods of making and using the same - Google Patents

Memory device comprising different ferromagnetic material layers and methods of making and using the same Download PDF

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JP2010516043A
JP2010516043A JP2009544829A JP2009544829A JP2010516043A JP 2010516043 A JP2010516043 A JP 2010516043A JP 2009544829 A JP2009544829 A JP 2009544829A JP 2009544829 A JP2009544829 A JP 2009544829A JP 2010516043 A JP2010516043 A JP 2010516043A
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ferromagnetic
ferromagnetic layer
layer
domain
domain wall
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JP2009544829A
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Japanese (ja)
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デリジャンニ、ハリクリア
フワン、チャン
ロマンキウ、ルボミール、ティー
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International Business Machines Corp
Original Assignee
International Business Machines Corp
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Abstract

【課題】交互する第一および第二強磁性材料層を包含する記憶素子を提供する。
【解決手段】第一強磁性材料層の各々は、第一層厚(L)と第一限界電流密度(JC)とを有し、第二強磁性材料層の各々は、第二層厚(L)と第二限界電流密度(JC)とを有し、JC<JCであり、Lは約300nmよりも大きく、Lは約20nmから約200nmの範囲にある。該素子は、交互する、磁壁で隔てられた相反対方向の磁区を含む。これら磁区および磁壁は、駆動電流を印加することにより、第一および第二強磁性材料層に亘って移動させることができる。これを利用し、データを、磁区および磁壁の位置として記憶素子中に格納することができる。
【選択図】図4
A memory element including alternating first and second ferromagnetic material layers is provided.
Each of the first ferromagnetic material layers has a first layer thickness (L 1 ) and a first limiting current density (JC 1 ), and each of the second ferromagnetic material layers is a second layer. It has a thickness (L 2 ) and a second critical current density (JC 2 ), JC 1 <JC 2 , L 1 is greater than about 300 nm, and L 2 is in the range of about 20 nm to about 200 nm. The element includes alternating magnetic domains separated by domain walls and in opposite directions. These magnetic domains and domain walls can be moved across the first and second ferromagnetic material layers by applying a drive current. By utilizing this, data can be stored in the storage element as the position of the magnetic domain and the domain wall.
[Selection] Figure 4

Description

関連出願の相互参照
本出願は、同時係属中の米国特許出願、名称「FORMATION OF NANOSTRUCTURES COMPRISING COMPOSITIONALLY MODULATED FERROMAGNETIC LAYERS BY PULSED ECD)」(代理人整理番号YOR20060193US1−SSMP19769)および「FORMATION OF VERTICAL DEVICES BY ELECTROPLATING」(代理人整理番号YOR20060194US1−SSMP19770)に関連し、該出願は、本出願と同日付で出願されており、本出願と同一の譲受人に譲渡される。上記の同時係属中の米国特許出願の全内容は、全ての目的のため参照によって本出願に組み込まれる。
Cross-reference of related applications This application is a co-pending US patent application, the name “FORMATION OF NANOSTRUCTURES COMPRISING COMPOSITIONLY MODULATED FERROMAGNETIC LAYERSS BYUSV VERS 19 In relation to (Attorney Docket No. YOR20060194US1-SSMP19770), the application is filed on the same date as this application and is assigned to the same assignee as this application. The entire contents of the above-mentioned co-pending US patent application are hereby incorporated by reference into this application for all purposes.

本発明は概して磁気記憶素子(memory storage devices)に関連する。具体的には、本発明は、交互する異なった強磁性材料の層を含む磁気記憶素子に関する。上記の磁気記憶素子には、磁区および磁壁の位置としてデータを格納することができ、電流を用いて、かかる磁区および磁壁を、上記記憶素子からのデータ読取りあるいはこれへの書込みのため、読取りまたは書込み素子(reading or writing device)を通過移動させることができる。   The present invention generally relates to memory storage devices. Specifically, the present invention relates to a magnetic memory element that includes alternating layers of different ferromagnetic materials. In the magnetic storage element, data can be stored as the position of the magnetic domain and the magnetic domain wall, and the magnetic domain and the magnetic domain wall can be read or written using the current for reading data from or writing to the storage element. A writing or writing device can be moved through.

磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ(MRAM:magnetoresistive random access memory)素子は、強磁性材料中の磁気モーメントの方向を使ってデータを格納する。本明細書で用いる「強磁性材料」という用語は、自発磁化を示す任意の材料をいう。   Magnetoresistive random access memory (MRAM) elements store data using the direction of the magnetic moment in the ferromagnetic material. As used herein, the term “ferromagnetic material” refers to any material that exhibits spontaneous magnetization.

通常、平衡化ないし非磁性化された強磁性材料においては、こういった強磁性材料の比較的大きな体積内の原子の磁気モーメントは、原子の間の磁気交換相互作用によって相互に平行に整列され(すなわち同一方向となり)、磁区(magnetic domain)を形成する。同じ磁区内の原子の磁気モーメントは平行状態に整列されているが、隣接する磁区はランダムに方向付けられている、すなわち、隣接する各磁区の中の原子の磁気モーメントはいろいろな方向を有することになる。隣接する2つの磁区の境界域は、通常、磁壁(domain wall)といわれる。磁壁域内では、原子レベルで磁化の方向が徐々に変化している。しかしながら、十分に強い外部磁界が強磁性材料に印加されると、該強磁性材料中の全ての磁区が印加された磁界の方向沿い(すなわち磁化方向)に整列する。外部磁界が取り除かれても、強磁性材料中の磁区は、磁化方向に向いたままの状態に留まる。別の十分強い、新しい方向の磁界を印加すると、磁区はその新しい磁界の方向に再整列される。   Normally, in a balanced or non-magnetized ferromagnetic material, the magnetic moments of atoms within the relatively large volume of such ferromagnetic materials are aligned parallel to each other by magnetic exchange interactions between the atoms. (I.e., in the same direction) to form a magnetic domain. The magnetic moments of atoms in the same magnetic domain are aligned in parallel, but adjacent magnetic domains are randomly oriented, that is, the magnetic moments of atoms in each adjacent magnetic domain have different directions become. The boundary area between two adjacent magnetic domains is usually referred to as a domain wall. Within the domain wall region, the direction of magnetization gradually changes at the atomic level. However, when a sufficiently strong external magnetic field is applied to a ferromagnetic material, all magnetic domains in the ferromagnetic material are aligned along the direction of the applied magnetic field (ie, the magnetization direction). Even when the external magnetic field is removed, the magnetic domains in the ferromagnetic material remain oriented in the magnetization direction. When another sufficiently strong, new directional magnetic field is applied, the magnetic domains are realigned in the new magnetic field direction.

MRAMへの一つのアプローチでは、メモリ・セルとして磁気トンネル接合を用いる。磁気トンネル接合は、薄い絶縁材料層を使って、強磁性材料の2つの層を隔てることにより形成される。各強磁性材料層は、単一の磁区を含む。第一強磁性材料層中の磁区は固定された方向を有するが、第二強磁性材料層中の磁区方向は、外部磁界に応じて転換することが可能になっている。これにより、第二強磁性材料層の磁区方向は、第一強磁性材料層の方向と順方向または逆方向のいずれかとなり、記憶保持ため「0」または「1」状態を表す。   One approach to MRAM uses magnetic tunnel junctions as memory cells. A magnetic tunnel junction is formed by separating two layers of ferromagnetic material using a thin layer of insulating material. Each ferromagnetic material layer includes a single magnetic domain. The magnetic domain in the first ferromagnetic material layer has a fixed direction, but the magnetic domain direction in the second ferromagnetic material layer can be changed according to the external magnetic field. As a result, the magnetic domain direction of the second ferromagnetic material layer is either the forward direction or the reverse direction with respect to the direction of the first ferromagnetic material layer, and represents a “0” or “1” state for memory retention.

しかしながら、現在入手可能なMRAM素子は、1メガビット(Mbt)まで格納できるだけで、大方のメモリ用途で必要な容量よりも大幅に少ない。加えて、各MRAMメモリ・セルは、一度に1ビットのデータを格納するだけなので、こういった素子の最大可能記憶容量は大きく制限される。   However, currently available MRAM devices can only store up to 1 megabit (Mbt), significantly less than the capacity required for most memory applications. In addition, since each MRAM memory cell only stores one bit of data at a time, the maximum possible storage capacity of these elements is greatly limited.

従って、高い格納密度で大記憶容量の改良されたMRAM素子が引き続き求められている。   Accordingly, there is a continuing need for MRAM devices with high storage density and improved large storage capacity.

本発明と同じ事業体が所有する、2004年12月21日付で「SHIFTABLE MAGNETIC SHIFT REGISTER AND METHOD OF USING THE SAME」に対し発行された米国特許第6,834,005号は、強磁性ワイヤまたは強磁性材料ストリップで形成されたデータ記憶トラックを含む記憶素子を開示している。   US Pat. No. 6,834,005 issued to “SHIFTABLE MAGNETIC SHIFT REGISTER AND METHOD OF USING THE SAME” dated December 21, 2004, owned by the same entity as the present invention. A storage element is disclosed that includes a data storage track formed of a strip of magnetic material.

図1Aは、上記の強磁性ワイヤ100の部分図を示し、該ワイヤは単一の磁区に均質に磁化されている。図1A中の矢印は、強磁性ワイヤ100中の原子の磁気モーメントを表し、これらは一様に右向きに方向付けられている。強磁性ワイヤ100の小区間を磁化して、図1Bに示すような相反対方向の磁区102および106を形成することができる。このような相反対方向の磁区102と106とは、磁壁104によって相互に隔てられ、該磁壁内では、図1B中の矢印で示すように、磁化が一方向から他方向に徐々に変化している。図1Cに点線矢印で示すように、強磁性ワイヤの右側から左に電子の流れを印加すると、磁区102中の励磁によって電子群が分極されるので、右側の磁区102が拡大する。分極された電子群は、磁区102中の原子またはイオンと同じスピンを有し、磁壁104に力を及ぼす。駆動電流の密度が、強磁性材料の抵抗を乗り越えるのに十分なものであれば、磁壁104は、右から左へ移動する。   FIG. 1A shows a partial view of the ferromagnetic wire 100 described above, which is uniformly magnetized in a single magnetic domain. The arrows in FIG. 1A represent the magnetic moments of the atoms in the ferromagnetic wire 100, which are uniformly oriented to the right. A small section of the ferromagnetic wire 100 can be magnetized to form magnetic domains 102 and 106 in opposite directions as shown in FIG. 1B. The magnetic domains 102 and 106 in the opposite directions are separated from each other by the domain wall 104, and in the domain wall, the magnetization gradually changes from one direction to the other direction as indicated by an arrow in FIG. 1B. Yes. As indicated by a dotted arrow in FIG. 1C, when an electron flow is applied from the right side to the left side of the ferromagnetic wire, the electron group is polarized by the excitation in the magnetic domain 102, so that the right magnetic domain 102 expands. The polarized group of electrons has the same spin as the atoms or ions in the magnetic domain 102 and exerts a force on the domain wall 104. If the density of the drive current is sufficient to overcome the resistance of the ferromagnetic material, the domain wall 104 moves from right to left.

磁壁速度(V)と駆動電流の密度との典型的な関係が、図2のプロットに示されている。駆動電流の密度が限界電流密度(JC)より低い場合は、磁壁速度(V)はゼロとなる、すなわち、磁壁の移動は観測されないことになる。駆動電流が限界電流密度(JC)以上の場合には、磁壁は、個別の駆動電流の密度に相関する速度で移動することになる。   A typical relationship between domain wall velocity (V) and drive current density is shown in the plot of FIG. When the density of the drive current is lower than the limit current density (JC), the domain wall velocity (V) becomes zero, that is, no domain wall movement is observed. If the drive current is greater than or equal to the limit current density (JC), the domain wall will move at a speed that correlates with the density of the individual drive currents.

上記の強磁性ワイヤは、このようにして、データ記憶トラックとして機能させることが可能で、情報はその中に磁区として格納することができる。電流を使い、このような磁区および関連する磁壁を、データ記憶トラック沿いに電子の流れの方向に移動させることができる。これら磁区および磁壁が、読取り装置を通過して移動する際に、データ記憶トラックから情報を読取ることができる。同様に、これら磁区および磁壁が、書込み装置を通過して移動する際に、データ記憶トラックに情報を書込むことができる。   The ferromagnetic wire described above can thus function as a data storage track, in which information can be stored as magnetic domains. Current can be used to move such domains and associated domain walls along the data storage track in the direction of electron flow. As these domains and domain walls move past the reader, information can be read from the data storage track. Similarly, information can be written to the data storage track as these domains and domain walls move past the writing device.

米国特許第6,834,005号により開示された記憶素子を使って、多数のデータ・ビットを格納することができる(100ビット台以上)。これにより、少数の磁気素子を使って非常に大量のデータを格納することができ、デジタル・カメラ、携帯端末、安全器具、メモリ・スティック、リムーバブル記憶装置などのさまざまな電子機器の重要な用途を担っている。   A storage element disclosed by US Pat. No. 6,834,005 can be used to store a large number of data bits (100 bits or more). This makes it possible to store very large amounts of data using a small number of magnetic elements, making it an important application for various electronic devices such as digital cameras, mobile devices, safety devices, memory sticks, removable storage devices, etc. I'm in charge.

米国特許第6,834,005号により開示された記憶素子の改良が、引き続き望まれている。具体的には、データ記憶トラック沿いの磁区および磁壁の移動を精度よく制御し、磁区または磁壁の有害なドリフティングを回避して、もっと正確で信頼できるデータ読取りおよび書込みが実現できるようにすることが望まれている。加えて、より低廉なコストで作製可能なより高精度の素子を提供することが望まれよう。   There is a continuing need for improvements to the memory elements disclosed by US Pat. No. 6,834,005. Specifically, to accurately control the movement of magnetic domains and domain walls along the data storage track, to avoid harmful domain or domain wall drifting, and to enable more accurate and reliable data reading and writing. Is desired. In addition, it would be desirable to provide a more accurate device that can be fabricated at a lower cost.

本発明は、交互する、相異なった限界電流密度および相異なった層厚の強磁性層を含む強磁性構造を用い、磁区および磁壁の該強磁性構造沿いの移動を精度よく制御する。   The present invention uses a ferromagnetic structure including alternating ferromagnetic layers having different limiting current densities and different layer thicknesses, and accurately controls the movement of magnetic domains and domain walls along the ferromagnetic structure.

一つの態様において、本発明は、交互する少なくとも複数の第一および第二強磁性層を含む構造に関し、第一強磁性層の各々は、第一層厚(L)と第一限界電流密度(JC)とを有し、第二強磁性層の各々は、第二層厚(L)と第二限界電流密度(JC)とを有し、JC<JCであり、Lは約300nmよりも大きく、Lは約20nmから約200nmの範囲にある。さらに望ましくは、Lは約400nmよりも大きく、Lは約40nmから約200nmの範囲にある。 In one embodiment, the invention relates to a structure comprising at least a plurality of alternating first and second ferromagnetic layers, each of the first ferromagnetic layers comprising a first layer thickness (L 1 ) and a first limiting current density. (JC 1 ), each of the second ferromagnetic layers has a second layer thickness (L 2 ) and a second limiting current density (JC 2 ), JC 1 <JC 2 , L 1 is greater than about 300 nm and L 2 is in the range of about 20 nm to about 200 nm. More desirably, L 1 is greater than about 400 nm and L 2 is in the range of about 40 nm to about 200 nm.

本発明の好適な実施形態において、前述の構造は、交互する少なくとも複数の、間に位置する磁壁で相互に隔てられた相反対方向の磁化の磁区をさらに含む。該磁区および磁壁は、該構造に駆動電流を印加することにより、第一および第二強磁性層に亘って移動させることができる。   In a preferred embodiment of the present invention, the structure further comprises at least a plurality of alternating magnetic domains of opposite magnetization separated by intervening domain walls. The magnetic domains and domain walls can be moved across the first and second ferromagnetic layers by applying a drive current to the structure.

上記の構造には、第一強磁性層と第二強磁性層との間に一つ以上の追加の層を含めることができる。かかる追加層は、極度に薄く例えば10nm未満にすることができる。これら追加層は、強磁性とすることも非磁性とすることもでき、第一強磁性層と第二強磁性層とを分離または絶縁するなど、さまざまなの異なった機能を実現するために設けることができる。   The above structure can include one or more additional layers between the first and second ferromagnetic layers. Such additional layers can be extremely thin, for example less than 10 nm. These additional layers, which can be ferromagnetic or non-magnetic, are provided to achieve a variety of different functions, such as separating or insulating the first and second ferromagnetic layers. Can do.

前述の第一強磁性層と第二強磁性層とは、材料組成、応力、局所粗さ、粒径、スピン分極、飽和磁化、スピン移動効率、局所スピン、格子定数、飽和保磁力、磁気異方性、交換結合エネルギー、磁壁厚さ、および磁気歪から成る群から選択された一つ以上の特性が異なるようにすることができる。   The first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer described above are composed of material composition, stress, local roughness, grain size, spin polarization, saturation magnetization, spin transfer efficiency, local spin, lattice constant, coercivity, magnetic anomaly. One or more characteristics selected from the group consisting of directionality, exchange coupling energy, domain wall thickness, and magnetostriction can be different.

本出願の、必須ではないが好適な実施形態において、第一強磁性層と第二強磁性層とは、材料組成が異なる。例えば、第一強磁性層と第二強磁性層とには、異なった強磁性元素を含めることができる。これに換えて、第一強磁性層と第二強磁性層とには、相異なる非磁性元素と混合または合金された同一の強磁性元素を含めることができる。さらに、第一強磁性層と第二強磁性層とには、異なった比率の同じ強磁性元素群を含めることができる。さらになお、第一強磁性層と第二強磁性層とには、同じ元素の同じ配合ではあるが、相異なる粒構造または粒径を有するものを含めることができる。   In a preferred but not essential embodiment of the present application, the first and second ferromagnetic layers have different material compositions. For example, the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer can contain different ferromagnetic elements. Alternatively, the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer can include the same ferromagnetic element mixed or alloyed with different nonmagnetic elements. Furthermore, the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer can include the same ferromagnetic element group in different ratios. Furthermore, the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer can include those having the same composition of the same element but having different grain structures or grain sizes.

例えば、第一および第二強磁性層の両方ともNi−Fe合金を含むが、NiとFeとの重量比が異なる。第一強磁性材料層には、約75wt%から約85wt%までのNiと約15wt%から約25wt%までのFeとを有する第一Ni−Fe合金を含め、第二強磁性材料層には、約30wt%から約60wt%までのNiと約40wt%から約70wt%までのFeとを有する第二Ni−Fe合金を含めることができる。   For example, both the first and second ferromagnetic layers contain Ni—Fe alloys, but the weight ratio of Ni and Fe is different. The first ferromagnetic material layer includes a first Ni—Fe alloy having about 75 wt% to about 85 wt% Ni and about 15 wt% to about 25 wt% Fe, and the second ferromagnetic material layer includes A second Ni—Fe alloy having from about 30 wt% to about 60 wt% Ni and from about 40 wt% to about 70 wt% Fe can be included.

これらの第一および第二強磁性材料層は、望ましくは、約20nmから約500nmの範囲、さらに望ましくは、約20nmから約200nmの範囲の直径を有する金属ワイヤの形に形成される。   These first and second ferromagnetic material layers are desirably formed in the form of metal wires having a diameter in the range of about 20 nm to about 500 nm, and more preferably in the range of about 20 nm to about 200 nm.

別の態様において、本発明は、前述の構造含む記憶素子と、記憶素子から選択的にデータを読取るため該記憶素子に近接して配置された読取り素子と、記憶素子に選択的にデータを書込むため該記憶素子に近接して配置された書込み素子と、
を含む記憶手段に関し、データは、磁区および磁壁の位置として記憶素子の中に格納される。
In another aspect, the invention provides a storage element comprising the above structure, a read element disposed proximate to the storage element to selectively read data from the storage element, and selectively writing data to the storage element. A write element disposed proximate to the storage element to
The data is stored in the storage element as the magnetic domain and domain wall position.

望ましくは、記憶素子は、第一および第二強磁性層に亘って磁壁の移動を行うため該記憶素子に駆動電流を印加する電流源をさらに含む。該駆動電流は、必須ではないが望ましくは、交互する高電流パルスと低電流パルスとを有するパルス電流である。低電流パルスは、望ましくは、磁壁を第一強磁性層を越えて移動し第二強磁性層で停止させるため、JCより高いがJCよりは低い、比較的に低い電流密度(Jlow)を有する。高電流パルスは、望ましくは、磁壁を第二強磁性層を抜け出て移動させるため、JCより高い比較的に高い電流密度(Jhigh)を有する。 Preferably, the memory element further includes a current source that applies a drive current to the memory element to move the domain wall across the first and second ferromagnetic layers. The drive current is preferably, but not necessarily, a pulsed current having alternating high and low current pulses. The low current pulse desirably moves the domain wall beyond the first ferromagnetic layer and stops at the second ferromagnetic layer, so that a relatively low current density (J low) that is higher than JC 1 but lower than JC 2. ). The high current pulse desirably has a relatively high current density (J high ) higher than JC 2 to move the domain wall out of the second ferromagnetic layer.

高電流および低電流パルスの持続時間は、良好に制御され、磁壁が、第二強磁性層に正しく位置設定されることを確実にする。さらに具体的には、磁壁が、第一強磁性層中の低電流パルスの下で第一速度(V)を有し、第一強磁性層中の高電流パルスの下で第二速度(V’)を有し、さらに第二強磁性層中の高電流パルスの下で第三速度(V)を有するとき、低電流パルスの維持時間(Dlow)は、望ましくはL/V以上であるが2×L/Vよりは短く、高電流パルスの維持時間(Dhigh)は、L/V以上であるがL/V+L/V’よりは短い。 The duration of the high and low current pulses is well controlled to ensure that the domain wall is correctly positioned in the second ferromagnetic layer. More specifically, the domain wall has a first velocity (V 1 ) under a low current pulse in the first ferromagnetic layer and a second velocity (V 1 ) under a high current pulse in the first ferromagnetic layer. V 1 ′) and a third velocity (V 2 ) under a high current pulse in the second ferromagnetic layer, the low current pulse sustain time (D low ) is preferably L 1 / V 1 or more but shorter than 2 × L 1 / V 1 , and the high current pulse sustain time (D high ) is L 2 / V 2 or more but from L 2 / V 2 + L 1 / V 1 ′ Is short.

前述の読取りおよび書込み素子は、望ましくは、低電流パルスの終端で、次の高電流パルスが印加される前に記憶素子からの読取りまたはこれへの書込みを行う。   The aforementioned read and write elements desirably read from or write to the storage element at the end of the low current pulse before the next high current pulse is applied.

まださらなる態様において、本発明は、前述の構造を含む記憶素子を形成するステップと、該記憶素子からデータを選択的に読取るステップと、該記憶素子にデータを選択的に書込むステップと、を含む方法に関し、データは、磁区および磁壁の特定の位置として記憶素子中に格納される。   In yet a further aspect, the invention comprises the steps of forming a storage element comprising the aforementioned structure, selectively reading data from the storage element, and selectively writing data to the storage element. With respect to the methods involved, data is stored in the storage element as specific locations of magnetic domains and domain walls.

さらに別の態様において、本発明は、交互する少なくとも複数の第一および第二強磁性層を含む記憶素子を形成するステップと、該記憶素子に駆動電流を印加して、磁区と磁壁とを読取りまたは書込み素子を通過して移動させるステップと、磁壁速度がVに等しくなったときに、該記憶素子から選択的にデータを読取りまたはこれに書込むステップとを含む方法に関し、該方法においては、第一強磁性層の各々は第一限界電流密度(JC)を有し、第二強磁性層の各々は第二限界電流密度(JC)を有し、JC<JCであり、該記憶素子は、間に位置する磁壁で相互に隔てられた交互する複数の相反対方向の磁区をさらに含み、データは、磁区および磁壁の特定の位置として記憶素子中に格納され、駆動電流は、JCよりも大きい定電流密度(JCconstant)を有し、磁壁は、該駆動電流において第一強磁性層中で第一速度(V)を有し、該駆動電流において第二強磁性層中で第二速度(V)を有し、V<Vである。 In yet another aspect, the invention provides a step of forming a storage element that includes at least a plurality of alternating first and second ferromagnetic layers, and applying a drive current to the storage element to read the magnetic domains and domain walls. Or a method comprising: moving the write element past a write element; and selectively reading or writing data from the storage element when the domain wall velocity is equal to V B , , Each of the first ferromagnetic layers has a first limiting current density (JC 1 ), each of the second ferromagnetic layers has a second limiting current density (JC 2 ), and JC 1 <JC 2 The storage element further includes a plurality of alternating magnetic domains separated from each other by a domain wall positioned therebetween, and the data is stored in the storage element as a specific position of the domain and domain wall to drive current It is, from JC 2 Big has a constant current density (JC constant), the domain wall has a first velocity in a first ferromagnetic layer (V A) at the drive current, the second in the second ferromagnetic layer in said drive current It has a velocity (V B ) and V B < VA .

本発明の他の態様、特質、および利点は、以下の開示と添付の特許請求の範囲からさらに十分に明確になろう。   Other aspects, features, and advantages of the present invention will become more fully apparent from the ensuing disclosure and appended claims.

図1Aは、ただ一つの磁区を有し一様に磁化された、従来技術の強磁性ワイヤの部分図を示す。図1Bは、図1Aの従来技術強磁性ワイヤの区分磁化後の部分図を示し、該ワイヤは、間に磁壁を有する少なくとも2つの相反対方向の磁区を含む。図1Cは、駆動電流の印加による、図1Bの従来技術強磁性ワイヤ中の磁区の移動を示す。FIG. 1A shows a partial view of a prior art ferromagnetic wire that has only one magnetic domain and is uniformly magnetized. FIG. 1B shows a partial view after section magnetization of the prior art ferromagnetic wire of FIG. 1A, which includes at least two oppositely oriented magnetic domains with domain walls in between. FIG. 1C shows the movement of the magnetic domains in the prior art ferromagnetic wire of FIG. 1B upon application of a drive current. 従来技術の強磁性材料の磁壁速度を、印加した駆動電流密度の関数としてプロットしたグラフである。3 is a graph plotting the domain wall velocity of a prior art ferromagnetic material as a function of applied drive current density. 2つの異なる強磁性材料の磁壁速度を、印加した駆動電流密度の関数としてプロットしたグラフである。FIG. 3 is a graph plotting the domain wall velocity of two different ferromagnetic materials as a function of applied drive current density. 図4Aは、本発明の一つの実施形態による、交互する2つ異なった強磁性材料の層を包含する強磁性ワイヤの部分図であり、この強磁性ワイヤはただ一つの磁区を有し一様に磁化されている。図4Bは、図4Aの強磁性ワイヤの区分磁化後の部分図を示し、該ワイヤは、間に磁壁を有し相反対方向の少なくとも2つの磁区を含む。図4Cは、比較的に低い駆動電流の印加による、図4Bの強磁性ワイヤ中の磁区の移動を示す。図4Dは、比較的に高い駆動電流の印加による、図4Bの強磁性ワイヤ中の磁区の移動を示す。FIG. 4A is a partial view of a ferromagnetic wire including two alternating layers of ferromagnetic material according to one embodiment of the present invention, the ferromagnetic wire having a single domain and uniform Is magnetized. FIG. 4B shows a partial view of the ferromagnetic wire of FIG. 4A after segmental magnetization, the wire including at least two magnetic domains in opposite directions with a domain wall in between. FIG. 4C shows the movement of the magnetic domains in the ferromagnetic wire of FIG. 4B by applying a relatively low drive current. FIG. 4D shows magnetic domain movement in the ferromagnetic wire of FIG. 4B upon application of a relatively high drive current. 本発明の一つの実施形態による、交互する異なった強磁性材料の層を含む例示的な記憶素子を示す。FIG. 4 illustrates an exemplary storage element including alternating layers of different ferromagnetic materials, according to one embodiment of the present invention. 本発明の一つの実施形態による、図5の記憶素子中の磁壁の移動を精度よく制御するために使用できる例示的パルス電流を示す。FIG. 6 illustrates an exemplary pulse current that can be used to accurately control the domain wall movement in the storage element of FIG. 5, according to one embodiment of the present invention. 図7A〜図7Bは、本発明の一つの実施形態による、交互するNi45Fe55とNi80Fe20との層を包含する強磁性ワイヤを示すが、撮像目的のため、Ni45Fe55層は選択的にエッチングされている。7A-7B illustrate a ferromagnetic wire including alternating layers of Ni 45 Fe 55 and Ni 80 Fe 20 according to one embodiment of the present invention, but for imaging purposes, a Ni 45 Fe 55 layer. Is selectively etched. 一定の駆動電流の下での、異なった強磁性材料での異なった磁壁速度を示すグラフである。Fig. 4 is a graph showing different domain wall velocities with different ferromagnetic materials under a constant drive current. 一定な駆動電流の下での、交互する異なった強磁性材料の層を含む記憶素子中の磁壁速度の時間的推移を示すグラフである。6 is a graph showing the time course of domain wall velocity in a memory element including alternating layers of different ferromagnetic materials under a constant drive current.

以下の説明において、本発明の徹底した理解を提供するために、特定の構造、構成要素、材料、寸法、処理ステップ、および技法など、数多くの具体的詳細を述べる。しかしながら、当業者は、こういった具体的詳細なしでも、本発明が実施できることはよく理解していよう。他の事例では、本発明が不明瞭になるのを避けるため、周知の構造または処理ステップは詳細を記載していない。   In the following description, numerous specific details are set forth, such as specific structures, components, materials, dimensions, processing steps, and techniques, in order to provide a thorough understanding of the present invention. However, those skilled in the art will appreciate that the present invention may be practiced without these specific details. In other instances, well-known structures or process steps have not been described in detail in order to avoid obscuring the present invention.

層、部位、または基材などの要素が、別の要素の「上に(on)」あると記載されている場合、該要素が該別の要素の直接上にあることも、その間に介在する要素が存在することもあると理解するであろう。これに対し、要素が、別の要素の「直接上に」と記載されている場合、それら要素の間に介在する要素は存在しないものとする。また、ある要素が、別の要素に「接続」または「連結」されると記載されている場合、それが直接に接続または連結されることもあり、介在する要素が存在することもあると理解するであろう。これに対し、ある要素が別の要素に「直接接続」または「直接連結」されると記載されている場合、介在する要素は存在しないものとする。   Where an element such as a layer, site, or substrate is described as being “on” another element, the element may also be directly between the other elements It will be understood that elements may exist. On the other hand, when an element is described as “directly above” another element, there are no elements interposed between the elements. Also, when an element is described as being “connected” or “coupled” to another element, it is understood that it may be directly connected or coupled, and that there may be intervening elements Will do. On the other hand, when an element is described as being “directly connected” or “directly connected” to another element, there are no intervening elements.

本明細書で用いる「限界電流密度(critical current density)」または「JC」という用語は、交互する相反対方向の磁区の間に位置する磁壁を、特定の強磁性材料を越えて駆動するため必要な閾値電流密度をいう。   As used herein, the terms “critical current density” or “JC” are necessary to drive a domain wall located between alternating domains of opposite direction beyond a particular ferromagnetic material. Threshold current density.

2004年12月21日付で「SHIFTABLE MAGNETIC SHIFT REGISTER AND METHOD OF USING THE SAME」に対し発行された米国特許第6,834,005号の全内容は、全ての目的のため参照によって本明細書に組み込まれる。   The entire contents of US Pat. No. 6,834,005 issued to “SHIFTABLE MAGNETIC SHIFT REGISTER AND METHOD OF USING THE SAME” dated 21 December 2004 is incorporated herein by reference for all purposes. It is.

本発明は、異なる固有特性を有する二つ以上の材料を用いて磁壁移動の精度ある制御を実現する。具体的には、材料組成、応力、局所粗さ、粒径、スピン分極、飽和磁化、スピン移動効率、局所スピン、格子定数、飽和保磁力、磁気異方性、交換結合エネルギー、磁壁厚さ、磁気歪などの、強磁性層の材料特性における何らかの変化が、かかる強磁性層中の限界電流密度および磁壁移動の速度に影響を与えることになる。   The present invention realizes accurate control of domain wall motion using two or more materials having different inherent characteristics. Specifically, material composition, stress, local roughness, particle size, spin polarization, saturation magnetization, spin transfer efficiency, local spin, lattice constant, coercivity, magnetic anisotropy, exchange coupling energy, domain wall thickness, Any change in material properties of the ferromagnetic layer, such as magnetostriction, will affect the limiting current density and the domain wall motion speed in the ferromagnetic layer.

本明細書で用いる「強磁性層」または「強磁性層群」という用語は、全体として自発磁化を示す一つ以上の層状構造をいう。本発明の強磁性層または層群は、少なくとも一つの強磁性元素を含み、それ以外の強磁性元素または非磁性元素を含むことも含まないこともある。   As used herein, the term “ferromagnetic layer” or “ferromagnetic layer group” refers to one or more layered structures that exhibit spontaneous magnetization as a whole. The ferromagnetic layer or layer group of the present invention contains at least one ferromagnetic element and may or may not contain other ferromagnetic elements or nonmagnetic elements.

強磁性材料中の磁壁移動を生起するため必要な限界電流密度(JC)は、以下の式により求められる。   The critical current density (JC) necessary for causing domain wall motion in the ferromagnetic material is obtained by the following equation.

Figure 2010516043
Figure 2010516043

上式のSは強磁性材料の局所スピンであり、aは該強磁性材料の格子定数であり、Kは該強磁性材料の困難軸から見た磁気異方性であり、λは該強磁性材料中の磁壁の厚さであり、これは該強磁性材料の磁気交換結合と異方性との間の比率に依存し、eは単一の電子が担持する電荷(定数)であり、   In the above equation, S is the local spin of the ferromagnetic material, a is the lattice constant of the ferromagnetic material, K is the magnetic anisotropy viewed from the hard axis of the ferromagnetic material, and λ is the ferromagnetic material The thickness of the domain wall in the material, which depends on the ratio between magnetic exchange coupling and anisotropy of the ferromagnetic material, e is the charge carried by a single electron (constant),

Figure 2010516043
Figure 2010516043

は普遍定数である。Physical Review Letters誌、92(8)086601(2004)号のジェン・タタラ(Gen Tatara)およびヒロシ・コーノ(HiroShi Kohno)の論文を参照できる。 Is a universal constant. Reference may be made to the papers of Genta Tara and HiroShi Kohno in Physical Review Letters, 92 (8) 088601 (2004) .

上記から、強磁性材料中で磁壁移動を生起するため必要な限界電流密度(JC)は、該強磁性材料の材料特性から直接的に求められることは明らかである。   From the above, it is clear that the critical current density (JC) required to cause domain wall motion in a ferromagnetic material is directly determined from the material properties of the ferromagnetic material.

さらに、磁壁移動の速度(V)は、磁壁が位置する強磁性材料の材料特性に依存し、磁壁は、次の式に従い印加駆動電流によって該材料を通って移動される。   Furthermore, the speed (V) of domain wall movement depends on the material properties of the ferromagnetic material in which the domain wall is located, and the domain wall is moved through the material by an applied drive current according to the following equation:

Figure 2010516043
Figure 2010516043

上式のPは電流の分極、すなわち印加駆動電流中の局所磁化により分極された電子のパーセントであり、μはボーア磁子(定数)であり、eは単一の電子が担持する電荷(定数)であり、Mは強磁性材料の飽和磁化であり、gは該強磁性材料のスピン移動効率であり、Jは印加駆動電流の電流密度である。Europhysics Letters,69(6)誌、990(2005)号のA.チアビル(A.Thiaville)、Y.ナカタニ(Y.Nakatani)、J.ミルタット(J.Miltat)、およびY.スズキ(Y.Suzuki)の論文を参照できる。 The above equation of P is the current polarization, i.e. a percentage of electrons polarized by the local magnetization in the applied driving current, mu B is the Bohr magneton (constant), e is the charge single electron carries ( it is a constant), M S is the saturation magnetization of the ferromagnetic material, g is the spin transfer efficiency of the ferromagnetic material, J is the current density of the applied driving current. Europhysics Letters, 69 (6), 990 (2005). A. Thiaville, Y. et al. Y. Nakatani, J. et al. J. Miltat, and Y. Reference may be made to a paper by Suzuki (Y. Suzuki) .

従って、限界電流密度(JC)および(駆動電流の密度が限界電流密度よりも高い場合の)磁壁移送速度(V)双方は、異なった強磁性材料に対しては異なるものとなる。言い換えれば、磁壁移動に対する抵抗は各種強磁性材料によって違うことになる。   Therefore, both the limiting current density (JC) and the domain wall transport velocity (V) (when the driving current density is higher than the limiting current density) will be different for different ferromagnetic materials. In other words, the resistance to domain wall motion varies with various ferromagnetic materials.

例えば、図3に示すように、2つの異なった強磁性材料AおよびBの限界電流密度がそれぞれJCおよびJCであり、JC<JCである場合、JCより高いがJCを下回る、比較的に低い電流密度(Jlow)の駆動電流を印加した場合、第一強磁性材料A中の磁壁は移動されるが、第二強磁性材料B中の磁壁は移動されないことになる。これに換えて、JCを上回る比較的に高い密度(Jhigh)の駆動電流を印加した場合は、第一および第二強磁性材料、AとBとの両方中の磁壁が移動されるがその速度は異なることになる。典型的には、図3に示すように、磁壁は、第一強磁性材料Aと比べて、高い限界電流密度を有する第二強磁性材料Bの中ではかなり低い速度で移動することになる。 For example, as shown in FIG. 3, if the limiting current densities of two different ferromagnetic materials A and B are JC 1 and JC 2 respectively, and JC 1 <JC 2 , higher than JC 1 but JC 2 When a drive current having a relatively low current density (J low ) is applied, the domain wall in the first ferromagnetic material A is moved, but the domain wall in the second ferromagnetic material B is not moved. . Instead, when a drive current with a relatively high density (J high ) exceeding JC 2 is applied, the domain walls in both the first and second ferromagnetic materials, A and B, are moved. The speed will be different. Typically, as shown in FIG. 3, the domain wall moves at a considerably lower speed in the second ferromagnetic material B having a higher limiting current density as compared to the first ferromagnetic material A.

上記の所見に基づき、本発明は、前述したような交互する異なった材料特性の強磁性層を含む強磁性構造を提供する。こういった強磁性構造を使って、磁壁を位置設定し、非常に離散的で精度ある増分ないしステップで、一切ドリフトすることなく、磁壁が移動することを確実にできる。   Based on the above observations, the present invention provides a ferromagnetic structure comprising ferromagnetic layers of alternating different material properties as described above. Such a ferromagnetic structure can be used to position the domain wall and ensure that the domain wall moves without any drift in very discrete and precise increments or steps.

具体的に、図4Aに、交互する異なった第一および第二強磁性材料、AおよびBの層10と12とを含む強磁性ワイヤの部分図を示す。第一強磁性材料Aを包含する層10は第一限界電流密度(JC)を有し、第二強磁性材料Bを包含する層12は、より大きい第二限界電流密度(JC)を有する。図4Aに示された強磁性ワイヤの全体は、ただ一つの磁区に一様に磁化されており、図4Aの強磁性ワイヤに包含されている原子またはイオンの磁気モーメントを表す矢印で、それが示されている。 Specifically, FIG. 4A shows a partial view of a ferromagnetic wire including alternating first and second ferromagnetic materials, layers A and B, 10 and 12. The layer 10 containing the first ferromagnetic material A has a first limiting current density (JC 1 ) and the layer 12 containing the second ferromagnetic material B has a higher second limiting current density (JC 2 ). Have. The entire ferromagnetic wire shown in FIG. 4A is uniformly magnetized in a single magnetic domain and is an arrow representing the magnetic moment of an atom or ion contained in the ferromagnetic wire of FIG. It is shown.

図4Aの強磁性ワイヤには、図4Bに示すように、その小区分を磁化して、交互する相反対方向の磁区22および26を形成することができる。かかる相反対の磁区22と26とは、その間に位置する磁壁24によって相互に隔てられ、該磁壁内では磁化が徐々に一つの方向から他の方向に変化している。磁区22の一つは、第一強磁性材料Aを包含する層10の一つから、第二強磁性材料Bを包含する隣接層12にまで延びている。図4Bに示すように、すぐ後の磁壁24およびその後の磁区26(反対磁化方向)の両方は、同様に第一強磁性材料Aを包含する次の層10中に位置している。   The ferromagnetic wire of FIG. 4A can be magnetized in its subsections to form alternating magnetic domains 22 and 26, as shown in FIG. 4B. The opposite magnetic domains 22 and 26 are separated from each other by a domain wall 24 located between them, and the magnetization gradually changes from one direction to another in the domain wall. One of the magnetic domains 22 extends from one of the layers 10 containing the first ferromagnetic material A to the adjacent layer 12 containing the second ferromagnetic material B. As shown in FIG. 4B, both the immediately following domain wall 24 and the subsequent magnetic domain 26 (opposite magnetization direction) are located in the next layer 10 that also contains the first ferromagnetic material A.

図4Cに示すように、比較的に低い電流密度の駆動電流(Jlow、JC<Jlow<JCである)が強磁性ワイヤに印加された場合、磁壁24は、相対的に低い限界電流密度(JC)の第一強磁性材料Aを包含する後ろ側の層10を越えて移動することになる。具体的には、磁壁24は、駆動電流の方向に沿ってすなわち図の右から左に、Jlowと第一強磁性材料Aの材料特性とによって決まる磁壁速度で移動することになる。しかしながら、磁壁24が、相対的に高い限界電流密度(JC)の第二強磁性材料Bを包含する層12に入ると、比較的に低い電流密度(Jlow)の駆動電流では、第二強磁性材料Bの抵抗を乗り越えて磁壁24を層12から抜け出させるには不十分なので、図4Cに示すように、磁壁24は層12に「位置設定」される。従って、Jlowの駆動電流がどれほど長時間強磁性ワイヤに印加されようとも、磁壁24は第二強磁性材料Bの層12内に留まることになる。 As shown in FIG. 4C, when a relatively low current density drive current (J low , JC 1 <J low <JC 2 ) is applied to the ferromagnetic wire, the domain wall 24 has a relatively low limit. current density beyond the rear side of the layer 10 including a first ferromagnetic material a (JC 1) will move. Specifically, the domain wall 24 moves along the direction of the drive current, that is, from right to left in the figure, at a domain wall speed determined by J low and the material characteristics of the first ferromagnetic material A. However, if the domain wall 24 enters the layer 12 containing the second ferromagnetic material B with a relatively high limiting current density (JC 2 ), at a relatively low current density (J low ) drive current, the second The domain wall 24 is “positioned” on the layer 12 as shown in FIG. 4C because it is insufficient to overcome the resistance of the ferromagnetic material B and cause the domain wall 24 to exit the layer 12. Therefore, no matter how long a J low drive current is applied to the ferromagnetic wire, the domain wall 24 remains in the layer 12 of the second ferromagnetic material B.

しかしながら、図4Dに示すように、別の、比較的に高い電流密度(Jhigh、JC<Jhighである)の駆動電流を使って、第二強磁性材料Bの抵抗を乗り越え、磁壁24を層12から先行の層10内に抜け出させることができる。駆動電流Jhighは、磁壁24を層12を抜けて移動させるのに十分な範囲において、非常に短期のパルスとすることができる。再び第一強磁性材料Aを包含する該先行層10において、次に第二強磁性材料Bの別の層12に入るまでは、層10沿いに磁壁24を移動させるには先に使ったJlowの駆動電流で十分である。 However, as shown in FIG. 4D, another drive current with a relatively high current density (J high , JC 2 <J high ) is used to overcome the resistance of the second ferromagnetic material B and the domain wall 24 Can be allowed to escape from the layer 12 into the preceding layer 10. Drive current J high, in a range sufficient to move the magnetic domain wall 24 exits the layers 12, very can be short-term pulse. In the preceding layer 10 again containing the first ferromagnetic material A, the J used previously to move the domain wall 24 along the layer 10 until the next layer 12 of the second ferromagnetic material B is entered. A low drive current is sufficient.

このような方法で、パルス駆動電流を使って、図4A〜図4Dの強磁性ワイヤに亘って、離散的増分ないしステップで、磁壁を移動することができる。   In this way, the domain wall can be moved in discrete increments or steps across the ferromagnetic wire of FIGS. 4A-4D using a pulsed drive current.

さらに効果的に磁壁を位置設定し、さらに精度よく磁壁の移動を制御するために、相対的に高い限界電流密度の第二強磁性材料Bを包含する強磁性材料層(すなわち層12)の厚さを抑えることが重要である。この層厚は、第二強磁性材料B中の磁壁の厚さ(λ)にできるだけ近くすべきである。層12は、望ましくは約20nmから約200nmの範囲、さらに望ましくは約40nmから約200nmの範囲、最も望ましくは約50nmの厚さを有する。   In order to more effectively position the domain wall and control the domain wall movement more accurately, the thickness of the ferromagnetic material layer (that is, the layer 12) including the second ferromagnetic material B having a relatively high limiting current density. It is important to suppress this. This layer thickness should be as close as possible to the thickness (λ) of the domain wall in the second ferromagnetic material B. Layer 12 desirably has a thickness in the range of about 20 nm to about 200 nm, more desirably in the range of about 40 nm to about 200 nm, and most desirably about 50 nm.

相対的に低い限界電流密度の第一強磁性材料Aを包含する強磁性材料層(すなわち層10)は、磁区を収容するため適切な任意の厚さとすることができる。望ましくは、層10には、層12よりもかなり大きな層厚を持たせ、層10中の磁壁の離散的な移動増分が、層12中の無移動に対してさらにはっきり識別できるようにする。例えば、層10は、望ましくは約300nm、さらに望ましくは約400nm、最も望ましくは約500nmの厚さを有する。   The ferromagnetic material layer (i.e., layer 10) that includes the first ferromagnetic material A with a relatively low limiting current density can be of any suitable thickness to accommodate the magnetic domains. Desirably, layer 10 has a much greater layer thickness than layer 12 so that the discrete movement increments of the domain wall in layer 10 can be more clearly distinguished from no movement in layer 12. For example, layer 10 desirably has a thickness of about 300 nm, more desirably about 400 nm, and most desirably about 500 nm.

図5は、それぞれが第一および第二強磁性材料AとBとを含有する交互の強磁性層32と34とを包含する、「U」形状の強磁性ワイヤまたはストリップを含む記憶素子30を示す。一方で、相対的に低い限界電流密度の第一強磁性材料Aを含む層32は、約300nmよりも大きな層厚Lを有する。他方で、相対的に高い限界電流密度の第二強磁性材料Bを含む層34は、約20nmから約200nmの範囲の層厚Lを有する。区分した磁化が行われ、交互する、磁壁で相互に隔てられた相反対方向(図5の強磁性ワイヤ中に矢印で示されている)の磁区が形成される。 FIG. 5 shows a storage element 30 comprising “U” shaped ferromagnetic wires or strips, comprising alternating ferromagnetic layers 32 and 34 each containing first and second ferromagnetic materials A and B. Show. On the other hand, the layer 32 containing the first ferromagnetic material A having a relatively low limiting current density has a layer thickness L 1 greater than about 300 nm. On the other hand, the layer 34 comprising the second ferromagnetic material B with a relatively high limiting current density has a layer thickness L 2 in the range of about 20 nm to about 200 nm. Segmented magnetization takes place, forming alternating domains of opposite directions (indicated by arrows in the ferromagnetic wire of FIG. 5) separated from each other by domain walls.

米国特許第6,834,005号が参照により本明細書に組み込まれているが、同特許に記載されているように、図5の強磁性ワイヤに駆動電流を印加し、中の磁壁の移動を行い、かかる強磁性ワイヤ中の対応する磁区を読取りまたは書込み素子を通過して移動させ、このときこれら素子が該強磁性ワイヤからデータを読取り又はこれに書込むようにすることができる。   US Pat. No. 6,834,005 is incorporated herein by reference, but as described therein, a drive current is applied to the ferromagnetic wire of FIG. 5 to move the domain wall therein. And the corresponding magnetic domains in such a ferromagnetic wire are moved past the read or write element so that these elements can read or write data from the ferromagnetic wire.

図5に例として示された強磁性ワイヤはほぼ円形の断面形状を有するが、本発明は、これに限定されるものでなく、正方形、矩形、三角形、多角形、半円形、楕円形など、任意の対称形または非対称の断面形状を有する任意の強磁性構造をも幅広く含むことに留意するのが重要である。さらに、本発明の強磁性構造は、固体ワイヤ、あるいは、非磁性の絶縁材または抵抗性半導体コアを囲む任意の管状構造とすることができる。   Although the ferromagnetic wire shown as an example in FIG. 5 has a substantially circular cross-sectional shape, the present invention is not limited to this, and a square, a rectangle, a triangle, a polygon, a semicircle, an ellipse, etc. It is important to note that any ferromagnetic structure having any symmetric or asymmetric cross-sectional shape is also broadly included. Furthermore, the ferromagnetic structure of the present invention can be a solid wire or any tubular structure surrounding a non-magnetic insulating material or resistive semiconductor core.

本発明の特に好適な実施形態において、図6に示されるようなパルス電流を使い、図5に示された強磁性ワイヤに沿って磁壁および磁区が移動される。具体的には、該パルス電流は交互する高電流および低電流の電流パルスを包含する。各低電流パルスは、JCよりは大だがJCよりは小の比較的に低い電流密度(Jlow)を有し、各高電流パルスは、JCより大の比較的に高い電流密度(Jhigh)を有する。低電流パルスは、磁壁が、第一強磁性層32を越えて移動し第二強磁性層34で停止するよう機能し、高電流パルスは、磁壁が第二強磁性層34を出て第一強磁性層32中に移動するよう機能する。 In a particularly preferred embodiment of the invention, the domain walls and domains are moved along the ferromagnetic wire shown in FIG. 5 using a pulsed current as shown in FIG. Specifically, the pulse current includes alternating high and low current pulses. Each low current pulse has a relatively low current density (J low ) greater than JC 1 but less than JC 2 , and each high current pulse has a relatively high current density greater than JC 2 ( J high ). The low current pulse functions so that the domain wall moves beyond the first ferromagnetic layer 32 and stops at the second ferromagnetic layer 34, and the high current pulse causes the domain wall to exit the second ferromagnetic layer 34 and the first It functions to move into the ferromagnetic layer 32.

望ましくは、高および低電流パルスは、磁壁のドリフティング(すなわち、所定点より行き過ぎた望ましくない移動)またはスタガリング(すなわち、所定点に達する前の過早の停止)を最小化するためタイミング合わせされる。   Desirably, the high and low current pulses are timed to minimize domain wall drifting (ie, undesired movement beyond the predetermined point) or staggering (ie, premature stop before reaching the predetermined point). The

図3に示すように、磁壁は、第一強磁性材料層32中の低電流パルスの下で第一速度(V)を有し、第一強磁性層中の高電流パルスの下で、第二速度(V’)を有し、第二強磁性材料層34中の高電流パルスの下で第三速度(V)を有する。低電流パルスの持続時間(Dlow)は、L/V以上であるが2×L/Vよりは短く、高電流パルスの持続時間(Dhigh)は、L/V以上であるがL/V+L/V’よりは短いことが望ましい。 As shown in FIG. 3, the domain wall has a first velocity (V 1 ) under a low current pulse in the first ferromagnetic material layer 32 and under a high current pulse in the first ferromagnetic layer, It has a second velocity (V 1 ′) and a third velocity (V 2 ) under a high current pulse in the second ferromagnetic material layer 34. The duration (D low ) of the low current pulse is L 1 / V 1 or more but shorter than 2 × L 1 / V 1 , and the duration (D high ) of the high current pulse is L 2 / V 2 or more. in it is L 2 / V 2 + L 1 / V 1 ' short it is desirable from.

もしDlow<L/Vであれば、低電流パルスは、磁壁を第一強磁性材料層32の全長を通して移動させるのに十分な時間長を持てないことになろう。その結果、磁壁は、第二強磁性材料層34に到達する前に、第一強磁性材料層32内で過早に停止し、スタッガリングが生じることになる。 If a D low <L 1 / V 1 , the low current pulses, would not able to have a sufficient length of time to move the domain walls through the entire length of the first ferromagnetic material layer 32. As a result, the domain wall stops prematurely in the first ferromagnetic material layer 32 before reaching the second ferromagnetic material layer 34, and staggering occurs.

低電流パルスの印加延長は、磁壁の移動にほとんどまたは全く影響しない。というのは、磁壁が第一強磁性材料層32を出て、第二強磁性材料層34内に移動してしまうと、さらに低電流パルスを印加しても、第二強磁性材料層34中の磁壁はそれ以上のいかなる移動も行わないからである。従って、DlowをL/Vより大きくすることができる。しかしながら、電流印加によるワイヤの顕著な熱上昇を避け、また、素子のスピーディな動作を実現するため、Dlowを2×L/V以下に抑えることが望ましく、1.5×L/V以下に抑えるのがさらに望ましい。 The application extension of the low current pulse has little or no effect on the domain wall motion. This is because if the domain wall exits the first ferromagnetic material layer 32 and moves into the second ferromagnetic material layer 34, even if a low current pulse is further applied, This is because the domain wall does not move any further. Therefore, D low can be made larger than L 1 / V 1 . However, in order to avoid a significant heat rise of the wire due to current application and to realize a speedy operation of the element, it is desirable to suppress D low to 2 × L 1 / V 1 or less, and 1.5 × L 1 / V 1 is suppressed to below more desirable.

同様に、もしDhigh<L/Vであれば、高電流パルスは、磁壁が第二強磁性材料層34を抜け出て移動するのに十分な時間長を持てないことになる。このため、磁壁は、第一強磁性材料層32に到達する前に、第二強磁性材料層34内で過早に停止し、スタッガリングが生じることになろう。従って、L/V以上の持続時間(Dhigh)を有する高電流パルスを用いるのが望ましい。 Similarly, if D high <L 2 / V 2 , the high current pulse will not have a sufficient length of time for the domain wall to move out of the second ferromagnetic material layer 34 and move. Therefore, the domain wall will stop prematurely in the second ferromagnetic material layer 34 before reaching the first ferromagnetic material layer 32, and staggering will occur. Therefore, it is desirable to use a high current pulse having a duration (D high ) of L 2 / V 2 or higher.

しかしながら、Dhigh>>L/Vであれば、磁壁が第二強磁性材料層34を抜け出た後も、磁壁は強磁性ワイヤに沿って、引き続く第一および第二強磁性材料層群を縦断して移動し続け、Dhighが完全に終了するまで停止しないことになろう。従って、高電流パルスの延長印加は、磁壁の有害なドリフティングを生じさせ、記憶素子の機能に弊害をもたらす。しかして、L/V+L/V’より短い高電流パルスの持続時間(Dhigh)を有する、比較的に短期の高電流パルスを使うことが望ましく、さらに望ましくはL/V+1/2L/V’より短い、最も望ましくはL/V+1/4L/V’より短いパルスであって、有意なドリフティングを生ずることなく磁壁が第一強磁性材料層を抜け出て移動するのに十分な時間長のパルスを使用する。 However, if D high >> L 2 / V 2 , the domain wall continues along the ferromagnetic wire even after the domain wall exits the second ferromagnetic material layer 34, and the first and second ferromagnetic material layer groups continue. Will continue to move and will not stop until D high is completely finished. Therefore, the extended application of the high current pulse causes harmful drifting of the domain wall, and adversely affects the function of the memory element. Thus, it is desirable to use a relatively short high-current pulse having a shorter high-current pulse duration (D high ) than L 2 / V 2 + L 1 / V 1 ′, more preferably L 2 / V 2 + 1 / 2L 1 / V 1 ' shorter than, most preferably L 2 / V 2 + 1 / 4L 1 / V 1' a short pulse from the domain walls without causing significant drifting is first ferromagnetic material Use a pulse long enough to move out of the layer.

次の高電流パルスが開始される前の各低電流パルスの終端時には、磁区および磁壁の位置はほぼ同一点に留まっている。この時点で、米国特許第6,834,005号に開示されている読取りおよび書込み素子を使って、図5の記憶素子からの読取りまたはこれへの書込みを行うことができる。   At the end of each low current pulse before the start of the next high current pulse, the positions of the magnetic domain and the domain wall remain approximately at the same point. At this point, the read and write elements disclosed in US Pat. No. 6,834,005 can be used to read from or write to the storage elements of FIG.

駆動電流中の低電流および高電流パルスの合計数は、個別の磁壁移動の必要条件に基づいて変えることができる。例えば、所定位置の読取りまたは書込み素子を通過させて6つの磁区と5つの磁壁を移動させるためには、図6に示すような6つの低電流パルスと5つの高電流パルスを包含する駆動電流を使うのがよい。別の例では、所定位置の読取りまたは書込み素子を通過させて4つの磁区と3つの磁壁を移動させるためには、4つの低電流パルスと3つの高電流パルスを包含する駆動電流を使うべきであろう。   The total number of low and high current pulses in the drive current can be varied based on individual domain wall motion requirements. For example, to move six magnetic domains and five domain walls through a read or write element at a predetermined position, drive currents including six low current pulses and five high current pulses as shown in FIG. It is good to use. In another example, a drive current comprising four low current pulses and three high current pulses should be used to move four magnetic domains and three domain walls through a read or write element in place. I will.

2より多い異なった強磁性層を用いて本発明の強磁性構造を形成することができ、さらに、非常に薄い(例、10nmより小)追加の非磁性層を、本発明の強磁性構造に含めることもできるが、簡易化のため、以下の説明は主として2つの異なった強磁性層だけを含む構造を対象としており、こういった簡易化された記述が、本発明の幅広い範囲を限定すると解釈すべきではない。   More than two different ferromagnetic layers can be used to form the ferromagnetic structure of the present invention, and very thin (eg, less than 10 nm) additional nonmagnetic layers can be added to the ferromagnetic structure of the present invention. For simplicity, the following description is primarily directed to structures that include only two different ferromagnetic layers, and these simplified descriptions limit the broad scope of the present invention. Should not be interpreted.

上記に開示した強磁性材料AとBとには、相異なった材料特性を有し磁壁の移動に対し相異なった抵抗を持つ限りにおいて、純粋な形態であれ他の強磁性または非磁性元素との合金または混合体であれ、任意の適切な強磁性元素を含めることができる。例えば、強磁性材料AおよびBには、以下に限らないが、Fe、Ni、Co、Gd、Dy、Tb、Ho、Er、およびこれらの混合物または組合せを含め、一つ以上の強磁性元素群を包含する任意の強磁性材料(群)を含めることができる。これら強磁性元素(群)に加え、強磁性材料AおよびBには、以下に限らないが、Ru、Mo、Mn、Cr、Si、Ge、Ga、As、Cu、Re、Rh、Pt、Au、B、Pなどを含め、任意の非磁性元素(群)をさらに包含させることができる。但し、かかる非磁性元素(群)が、材料AおよびBの全体としての強磁性特性には影響しないようにする。
The ferromagnetic materials A and B disclosed above are different from other ferromagnetic or nonmagnetic elements in their pure form as long as they have different material properties and different resistance to domain wall movement. Any suitable ferromagnetic element can be included. For example, ferromagnetic materials A and B include one or more groups of ferromagnetic elements including, but not limited to, Fe, Ni, Co, Gd, Dy, Tb, Ho, Er, and mixtures or combinations thereof. Any ferromagnetic material (s) can be included. In addition to these ferromagnetic elements (groups), ferromagnetic materials A and B include, but are not limited to, Ru, Mo, Mn, Cr, Si, Ge, Ga, As, Cu, Re, Rh, Pt, Au Any non-magnetic element (s) can be further included, including B, P, etc. However, such non-magnetic elements (groups) should not affect the ferromagnetic properties of the materials A and B as a whole.

強磁性材料AとBとには、相異なる強磁性元素、または同じ強磁性元素であるが異なった非磁性元素と合金化又は混合されたもの、あるいは同じ強磁性元素群であるが異なった比率のもの、または同一の強磁性組成であるが異なった粒径または粒構造を持つものなどを含めることができる。前述したように、強磁性材料AとBとの間の違いについては、材料組成、応力、局所粗さ、粒径、スピン分極、飽和磁化、スピン移動効率、局所スピン、格子定数、飽和保磁力、磁気異方性、交換結合エネルギー、磁壁厚さ、磁気歪などから成る群から選択された一つ以上の材料特性の差異とすることができる。   Ferromagnetic materials A and B include different ferromagnetic elements, or the same ferromagnetic elements but alloyed or mixed with different nonmagnetic elements, or the same ferromagnetic element group but different ratios. Or those having the same ferromagnetic composition but different particle sizes or grain structures can be included. As described above, the differences between the ferromagnetic materials A and B include material composition, stress, local roughness, grain size, spin polarization, saturation magnetization, spin transfer efficiency, local spin, lattice constant, and coercivity. And one or more material property differences selected from the group consisting of magnetic anisotropy, exchange coupling energy, domain wall thickness, magnetostriction, and the like.

材料AとBとを包含し交互する層は、化学気相堆積(CVD:chemical vapor deposition)処理、物理気相堆積(PVD:physical vapor deposition)処理、原子層堆積(ALD:atomic layer deposition)処理、電気化学堆積(ECD:electrochemical deposition)処理、および無電解堆積処理など、一つ以上の周知の堆積処理によって容易に形成することができる。   Alternating layers including materials A and B are processed by chemical vapor deposition (CVD) processing, physical vapor deposition (PVD) processing, atomic layer deposition (ALD) processing. It can be easily formed by one or more well-known deposition processes, such as an electrochemical deposition (ECD) process, and an electroless deposition process.

本発明の、必須ではないが例示的な実施形態において、第一および第二強磁性材料層、AとBとは双方とも同一の強磁性元素群を含み、相異なった比率で合金されている。こういった層AおよびBは、同時係属中の米国特許出願、名称「FORMATION OF NANOSTRUCTURES COMPRISING COMPOSITIONALLY MODULATED FERROMAGNETIC LAYERS BY PULSED ECD」に記載されたパルスECD処理によって堆積することができ、該出願は、本出願と同一の譲受人に譲渡され、先記の参照によって本出願に組み込まれている。   In an exemplary but not essential embodiment of the invention, the first and second ferromagnetic material layers, A and B, both contain the same group of ferromagnetic elements and are alloyed in different ratios. . These layers A and B can be deposited by the pulse ECD process described in the co-pending U.S. patent application, the name "FORMATION OF NANOTRUCTURES COMPRISING COMPOSITIONLY MODULATED FERROMAGNETIC LAYERS BY PULSED ECD" Assigned to the same assignee as the application and incorporated herein by reference.

例えば、Ni2+、Fe2+およびNaClなど一つ以上の種を含むメッキ液にパルスメッキ電位を印加して、交互する異なったNi−Fe合金層を形成することができる。該パルスメッキ電位は、高電位パルスおよび低電位パルスを含む。高電位パルス印加の間は、比較的に少ないFeが堆積され、比較的に多いNiが堆積されることになる。これに対し、低電位パルス印加の間は、比較的に多いFeが堆積され、比較的に少ないNiが堆積されることになる。このような方法で、NiFeのNiリッチな合金とNiFeのFeリッチな合金との交互する層が堆積されて強磁性ワイヤが形成され、これには交互する異なったNiFe合金の層が包含される。このように堆積されるNiFeのNiリッチな合金のNi含有量は、約75wt%から約85wt%の範囲とすることができ、NiFeのNiリッチな合金のFe含有量は、約15wt%から約25wt%の範囲とすることができる。NiFeのFeリッチな合金のNi含有量は、約30wt%から約60wt%の範囲とすることができ、NiFeのFeリッチな合金のFe含有量は、約40wt%から約70wt%の範囲とすることができる。 For example, different Ni—Fe alloy layers can be formed by applying a pulse plating potential to a plating solution containing one or more species such as Ni 2+ , Fe 2+ and NaCl. The pulse plating potential includes a high potential pulse and a low potential pulse. During application of the high potential pulse, a relatively small amount of Fe is deposited and a relatively large amount of Ni is deposited. On the other hand, during application of the low potential pulse, a relatively large amount of Fe is deposited and a relatively small amount of Ni is deposited. In this way, alternating layers of NiFe Ni-rich alloy and NiFe Fe-rich alloy are deposited to form a ferromagnetic wire, which includes alternating layers of different NiFe alloys. . The Ni content of the NiFe Ni-rich alloy thus deposited can range from about 75 wt% to about 85 wt%, and the Fe content of the NiFe Ni-rich alloy can range from about 15 wt% to about 85 wt%. The range can be 25 wt%. The Ni content of the NiFe Fe-rich alloy can range from about 30 wt% to about 60 wt%, and the Fe content of the NiFe Fe-rich alloy can range from about 40 wt% to about 70 wt%. be able to.

図7Aは、交互するNi45Fe55層とNi80Fe20層とを包含する多数の強磁性ワイヤのSEM写真を示す。組成変調された強磁性層を形成する能力をよりはっきり示すため、Ni45Fe55層がエッチングされている。通常、Fe含有量のより高いNiFe合金は、より低いFe含有量のNiFe合金よりも速くエッチングされる。図7Bは、図7Aの白丸で囲んだ部分を拡大した写真である。図7Bに示されたNi45Fe55層は、約400nmの厚さを有し、Ni80Fe20層は、約200nmの厚さを有する。Ni45Fe55合金とNi80Fe20合金とは、大きく異なる飽和保磁力、磁化強さ、磁気歪、または他の特性、あるいはこれらの複数が異なる特性を有し、本発明の強磁性構造を形成するのに特に好適である。 FIG. 7A shows a SEM picture of a number of ferromagnetic wires including alternating Ni 45 Fe 55 and Ni 80 Fe 20 layers. The Ni 45 Fe 55 layer has been etched to show more clearly the ability to form compositionally modulated ferromagnetic layers. Usually, NiFe alloys with higher Fe content etch faster than NiFe alloys with lower Fe content. FIG. 7B is an enlarged photograph of a portion surrounded by white circles in FIG. 7A. The Ni 45 Fe 55 layer shown in FIG. 7B has a thickness of about 400 nm and the Ni 80 Fe 20 layer has a thickness of about 200 nm. The Ni 45 Fe 55 alloy and Ni 80 Fe 20 alloy, greatly different coercivity, magnetization intensity, magnetostrictive or other properties, or have a plurality of these different characteristics, the ferromagnetic structure of the present invention It is particularly suitable for forming.

本発明は、上記のものと類似ではあるが、交互する任意の適切な厚さの強磁性層を含む記憶素子をさらに意図している。かかる記憶素子にほぼ一定の駆動電流を印加して、磁区および磁壁を読取りまたは書込み素子を通過して移動させることができる。   The present invention further contemplates a storage element that is similar to that described above, but includes alternating layers of any suitable thickness. A substantially constant drive current can be applied to such a storage element to move the magnetic domains and domain walls past the read or write element.

具体的には、この駆動電流は、第一および第二強磁性材料AおよびB双方の限界電流密度より大きな一定の電流密度(Jconstant)を有する(すなわち、JC<JC<JCconstant)。かかる駆動電流の下では、磁壁は、交互する材料AとBとの第一および第二強磁性層を縦断して移動するが、各層中の速度が異なる。すなわち、図8に示すように、磁壁は、第強磁性材料A中では第一速度(V)で、第二強磁性材料B中では第二速度(V)で移動し、V<<Vである。このため、図9に示すように、この一定駆動電流の下で、記憶素子全体における磁壁速度はVとVとの間で振動し、磁壁が比較的に遅い速度(V)で移動しているときに、容易にデータ読取りおよび書込みを行うことができる。 Specifically, this drive current has a constant current density (J constant ) that is greater than the limiting current density of both the first and second ferromagnetic materials A and B (ie, JC 1 <JC 2 <JC constant ). . Under such a driving current, the domain wall moves longitudinally through the first and second ferromagnetic layers of alternating materials A and B, but the speed in each layer is different. That is, as shown in FIG. 8, the domain wall moves at the first speed (V A ) in the first ferromagnetic material A and at the second speed (V B ) in the second ferromagnetic material B, and V B << VA . For this reason, as shown in FIG. 9, under this constant driving current, the domain wall speed in the entire memory element oscillates between V A and V B, and the domain wall moves at a relatively slow speed (V B ). Data can be easily read and written.

上記の記憶素子では、もはや第二強磁性層は磁壁の位置設定には使われない。代わりに、第二強磁性層は、今度は磁壁の移動を減速させ、読取り/書込み時間間隔を確保するために使われる。このため、かかる記憶素子の第二強磁性層の場合は、情報を読取りおよび書込みに十分な長さの時間間隔を取るために十分な層厚とする必要がある。例えば、第二強磁性層を、第一強磁性層と匹敵する厚さとすることができる。   In the memory element described above, the second ferromagnetic layer is no longer used for setting the domain wall. Instead, the second ferromagnetic layer is now used to slow down the domain wall motion and ensure a read / write time interval. For this reason, in the case of the second ferromagnetic layer of such a storage element, it is necessary to have a sufficient layer thickness in order to take a sufficient time interval for reading and writing information. For example, the second ferromagnetic layer can have a thickness comparable to the first ferromagnetic layer.

本明細書において、特定の実施形態、特質、および態様を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明はこれらに限定されるものでなく、記載外の修改案、変更案、アプリケーション、および実施形態に対する用途に展開でき、従って、かかる記載外の修改案、変更案、アプリケーション、および実施形態は、本発明の精神および範囲内にあると見なされることを認識するであろう。   Although the present invention has been described herein with reference to specific embodiments, features, and aspects, the present invention is not limited thereto, and modifications, changes, applications, and It will be recognized that such modifications, changes, applications, and embodiments outside of the description can be considered as within the spirit and scope of the present invention.

Claims (22)

交互する少なくとも複数の第一および第二強磁性層を含む構造であって、前記第一強磁性層の各々は、第一層厚(L)と第一限界電流密度(JC)とを有し、前記第二強磁性層の各々は、第二層厚(L)と第二限界電流密度(JC)とを有し、JC<JCであって、Lは約300nmより大きく、Lは約20nmから約200nmの範囲にある、構造。 The structure includes at least a plurality of alternating first and second ferromagnetic layers, each of the first ferromagnetic layers having a first layer thickness (L 1 ) and a first limiting current density (JC 1 ). a, wherein each of the second ferromagnetic layer, and a second layer thickness and (L 2) second critical current density (JC 2), a JC 1 <JC 2, L 1 is about 300nm Larger, L 2 is in the range of about 20 nm to about 200 nm. 間に位置する磁壁で相互に隔てられ相反対に磁化された、交互する複数の磁区をさらに含み、前記磁区および磁壁は、前記構造に駆動電流を印加することによって、前記第一および第二強磁性層に亘って移動させることが可能な、請求項1に記載の構造。   A plurality of alternating magnetic domains separated from each other by magnetic walls located therebetween and oppositely magnetized, wherein the magnetic domains and the domain walls are applied with a driving current to the structure to apply the first and second strong domains; The structure of claim 1, wherein the structure is movable across the magnetic layer. 前記第一強磁性層と第二強磁性層との間に、一つ以上の追加の層をさらに含む、請求項1に記載の構造。   The structure of claim 1, further comprising one or more additional layers between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer. 前記第一強磁性層と第二強磁性層とは、材料組成、応力、局所粗さ、粒径、スピン分極、飽和磁化、スピン移動効率、局所スピン、格子定数、飽和保磁力、磁気異方性、交換結合エネルギー、磁壁厚さ、および磁気歪から成る群から選択された一つ以上の特性が異なる、請求項1に記載の構造。   The first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer include material composition, stress, local roughness, grain size, spin polarization, saturation magnetization, spin transfer efficiency, local spin, lattice constant, coercivity, and magnetic anisotropy. The structure of claim 1, wherein one or more properties selected from the group consisting of properties, exchange coupling energy, domain wall thickness, and magnetostriction are different. 前記第一強磁性層と第二強磁性層とは材料組成が異なる、請求項4に記載の構造。   The structure according to claim 4, wherein the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer have different material compositions. 前記第一強磁性層と第二強磁性層とは相異なる強磁性元素を含む、請求項5に記載の構造。   The structure according to claim 5, wherein the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer contain different ferromagnetic elements. 前記第一強磁性層と第二強磁性層とは、相異なる非磁性元素と合金された同一の強磁性元素を含む、請求項5に記載の構造。   The structure of claim 5, wherein the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer comprise the same ferromagnetic element alloyed with different nonmagnetic elements. 前記第一強磁性層と第二強磁性層とは、同じ強磁性元素群を含むがその比率が異なる、請求項5に記載の構造。   The structure according to claim 5, wherein the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer include the same ferromagnetic element group but have different ratios. 前記第一および第二強磁性層の双方がNi−Fe合金を含み、前記第一強磁性層は、約75wt%から約85wt%までのNiと約15wt%から約25wt%までのFeとを有する第一Ni−Fe合金を含み、前記第二強磁性層は、約30wt%から約60wt%までのNiと約40wt%から約70wt%までのFeとを有する第二Ni−Fe合金を含む、請求項8に記載の構造。   Both the first and second ferromagnetic layers comprise a Ni-Fe alloy, the first ferromagnetic layer comprising about 75 wt% to about 85 wt% Ni and about 15 wt% to about 25 wt% Fe. The second ferromagnetic layer includes a second Ni—Fe alloy having about 30 wt% to about 60 wt% Ni and about 40 wt% to about 70 wt% Fe. The structure according to claim 8. は約400nmより大きく、Lは約40nmから約200nmの範囲にある、請求項1に記載の構造。 The structure of claim 1, wherein L 1 is greater than about 400 nm and L 2 is in the range of about 40 nm to about 200 nm. 前記第一および第二強磁性層は、約20nmから約200nmの範囲の直径を有する金属ワイヤまたは金属ストリップを形成する、請求項1に記載の構造。   The structure of claim 1, wherein the first and second ferromagnetic layers form a metal wire or metal strip having a diameter in the range of about 20 nm to about 200 nm. 請求項2に記載の前記構造および磁壁を含む記憶素子と、
前記記憶素子から選択的にデータを読取るため、前記記憶素子に近接して配置された読取り素子と、
前記記憶素子中に選択的にデータを書込むため、前記記憶素子に近接して配置された書込み素子と、
を含む記憶手段であって、
データは、前記記憶素子内に磁区および磁壁の位置として格納される、
記憶手段。
A storage element comprising the structure and domain wall of claim 2;
A read element disposed proximate to the storage element for selectively reading data from the storage element;
A write element disposed proximate to the storage element for selectively writing data into the storage element;
Storage means including:
Data is stored in the storage element as magnetic domain and domain wall positions.
Storage means.
前記記憶素子に駆動電流を印加して、特定の磁区を、前記読取りおよび書込み素子の一つを通過して移動させ、前記記憶素子からデータを読取りまたは書込みできるようにするための電流源をさらに含む、請求項12に記載の記憶手段。   A current source for applying a drive current to the storage element to move a particular magnetic domain past one of the read and write elements so that data can be read or written from the storage element; The storage means according to claim 12, comprising: 前記駆動電流は、交互する高電流および低電流パルスを有するパルス電流であって、前記低電流パルスは、前記磁区および磁壁を前記第一強磁性層を越えて移動させ前記第二強磁性層で停止させるため、JCよりは大きいがJCよりは小さい比較的に低い電流密度(Jlow)を有し、前記高電流パルスは、前記磁区および磁壁を前記第二強磁性層を抜け出て移動させせるため、JCより大きい比較的に高い電流密度(Jhigh)を有する、請求項13に記載の記憶手段。 The drive current is a pulse current having alternating high and low current pulses, the low current pulse moving the magnetic domains and domain walls beyond the first ferromagnetic layer and in the second ferromagnetic layer. In order to stop, it has a relatively low current density (J low ) that is larger than JC 1 but smaller than JC 2 , and the high current pulse moves through the second ferromagnetic layer through the magnetic domain and domain wall. 14. The storage means according to claim 13, wherein the storage means has a relatively high current density (J high ) greater than JC 2 . 前記磁壁は、前記第一強磁性層中の前記低電流パルスの下で第一速度(V)を有し、前記第一強磁性層中の前記高電流パルスの下で第二速度(V’)を有し、前記第二強磁性層中の前記高電流パルスの下で第三速度(V)を有し、前記低電流パルスの持続時間(Dlow)は、L/V以上であるが2×L/Vよりは短く、前記高電流パルスの持続時間(Dhigh)は、L/V以上であるがL/V+L/V’よりは短い、請求項14に記載の記憶手段。 The domain wall has a first velocity (V 1 ) under the low current pulse in the first ferromagnetic layer and a second velocity (V 1 ) under the high current pulse in the first ferromagnetic layer. 1 ') has, said under the high current pulses in the second ferromagnetic layer has a third speed (V 2), the low current pulse duration (D low) is, L 1 / V 1 or more but shorter than 2 × L 1 / V 1, and the duration (D high ) of the high current pulse is L 2 / V 2 or more but from L 2 / V 2 + L 1 / V 1 ′ 15. Storage means according to claim 14, wherein is short. 前記読取り素子または書込み素子は、低電流パルスの終端だが次の高電流パルスの前で前記記憶素子からの読取りまたはこれへの書込みを行う、請求項15に記載の記憶手段。   16. Storage means according to claim 15, wherein the read element or write element reads from or writes to the storage element before the end of a low current pulse but before the next high current pulse. 請求項2に記載の前記構造を含む記憶素子を形成するステップと、
前記記憶素子からデータを選択的に読取るステップと、
前記記憶素子の中にデータを選択的に書込むステップと、
を含む方法であって、
データは、前記記憶素子中に磁区および磁壁の位置として格納される、
方法。
Forming a storage element comprising the structure of claim 2;
Selectively reading data from the storage element;
Selectively writing data into the storage element;
A method comprising:
Data is stored as magnetic domain and domain wall positions in the storage element.
Method.
前記選択的読取りおよび書込みは、前記記憶素子に駆動電流を印加し、前記磁区を読取りまたは書込み素子を通過して移動させることによって実施される、請求項17に記載の方法。   The method of claim 17, wherein the selective reading and writing is performed by applying a drive current to the storage element and moving the magnetic domain past the reading or writing element. 前記駆動電流は、交互する高および低電流パルスを有するパルス電流であって、前記低電流パルスは、前記磁区および磁壁を前記第一強磁性層を越えて移動させ前記第二強磁性層で停止させるため、JCよりは大きいがJCよりは小さい比較的に低い電流密度(Jlow)を有し、前記高電流パルスは、前記磁区および磁壁を前記第二強磁性層を抜けて移動させせるため、JCより大きい比較的に高い電流密度(Jhigh)を有する、請求項18に記載の方法。 The drive current is a pulse current having alternating high and low current pulses, the low current pulse moving the magnetic domain and domain wall beyond the first ferromagnetic layer and stopping at the second ferromagnetic layer Therefore, it has a relatively low current density (J low ) that is larger than JC 1 but smaller than JC 2 , and the high current pulse moves the magnetic domains and domain walls through the second ferromagnetic layer. 19. The method of claim 18, wherein the method has a relatively high current density (J high ) greater than JC 2 . 前記磁壁は、前記第一強磁性材料層中の前記低電流パルスの下で第一速度(V)を有し、前記第一強磁性材料層中の前記高電流パルスの下で第二速度(V’)を有し、前記第二強磁性材料層中の前記高電流パルスの下で第三速度(V)を有し、前記低電流パルスの持続時間(Dlow)は、L/V以上であるが2×L/Vよりは短く、前記高電流パルスの持続時間(Dhigh)は、L/Vと等しいかやや長いがL/V+L/V’よりは短い、請求項19に記載の方法。 The domain wall has a first velocity (V 1 ) under the low current pulse in the first ferromagnetic material layer and a second velocity under the high current pulse in the first ferromagnetic material layer. (V 1 ′), having a third velocity (V 2 ) under the high current pulse in the second ferromagnetic material layer, and the duration (D low ) of the low current pulse is L 1 / V 1 or in which although shorter than 2 × L 1 / V 1, the high current pulse duration (D high) is, L 2 / V 2 equal to or slightly longer, but L 2 / V 2 + L 1 / V 1 less than 'a method according to claim 19. 前記選択的読取りまたは書込みは、低電流パルスの終端だが次の高電流パルスの前で行われる、請求項20に記載の方法。   21. The method of claim 20, wherein the selective reading or writing is performed at the end of a low current pulse but before the next high current pulse. 交互する少なくとも複数の第一強磁性層と第二強磁性層とを含む記憶素子を形成するステップであって、前記第一強磁性層の各々は第一限界電流密度(JC)を有し、前記第二強磁性層の各々は第二限界電流密度(JC)を有し、JC<JCであり、前記記憶素子は、間に位置する磁壁によって相互に隔てられた、交互する複数の相反対方向の磁区をさらに含み、データは、前記記憶素子中に磁区および磁壁の位置として格納される、前記ステップと、
前記記憶素子に駆動電流を印加して、前記磁区および磁壁を読取り素子または書込み素子を通過して移動させるステップであって、前記駆動電流は、JCより大きい一定電流密度(JCconstant)を有し、前記磁壁は、前記第一強磁性層中の前記駆動電流の下で第一速度(V)を有し、前記第二強磁性層中の前記駆動電流の下で第二速度(V)を有し、V<Vである、前記ステップと、
前記磁壁速度がVに等しくなったとき、前記記憶素子からデータを選択的に読取り、またはこれに書込むステップと、
を含む方法。
Forming a memory element including at least a plurality of alternating first and second ferromagnetic layers, each of the first ferromagnetic layers having a first limiting current density (JC 1 ). , Each of the second ferromagnetic layers has a second limiting current density (JC 2 ), JC 1 <JC 2 , and the storage elements are alternately separated from each other by domain walls located therebetween The step further comprising a plurality of oppositely oriented magnetic domains, wherein data is stored as magnetic domain and domain wall locations in the storage element;
Applying a driving current to the memory element to move the magnetic domain and domain wall through a reading element or a writing element, wherein the driving current has a constant current density (JC constant ) greater than JC 2. And the domain wall has a first velocity (V A ) under the drive current in the first ferromagnetic layer and a second velocity (V A ) under the drive current in the second ferromagnetic layer. B ), and V B <V A , and
Selectively reading or writing data from the storage element when the domain wall velocity is equal to V B ;
Including methods.
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